變電站的防雷保護技術研究

李友根

（中國能源建設集團湖南火電建設有限公司，湖南 長沙 410015）

0 引 言

雷電是自然中令人恐怖的氣體放電現象。18世紀，富蘭克林首次闡述了避雷針的原理，提出了雷電是大氣中火花放電的物理本質。雷電放電對現代航空、電力等領域有很大影響，使得人們開始加強對雷電防護技術的研究。變電站發生雷擊事故會對電網產生較大危害，造成大量經濟損失。電力變電站實現綜合自動化提高了變電站的防雷能力，為供電部門提供經濟安全的電能創造了條件。在變電站設計中保護變電站設備安全，能最大程度減少雷擊事故發生。

1 相關研究

雷電災害是嚴重的自然災害，全球每年因雷擊都會造成大量的人員傷亡和財產損失。美國雷電安全研究所的相關調查顯示，美國每年因雷擊造成的損失約50億美元。我國是雷電活動頻繁的國家，每年因雷擊造成人員傷亡的人員達4 000人。隨著社會經濟的發展和科技現代化發展，雷電災害造成的經濟損失和社會影響不斷擴大。

19世紀70年代是電力網發展的初期階段，80年代末電力網采用導雷器電話保護裝置，20世紀30年代發展成去游離避雷器。電力系統的迅速發展，使避雷設施技術不斷提高。1907年美國出現了鋁電解避雷器，1929年美國制造出齊德特閥型避雷器，大大降低了系統雷擊損壞率。近年來，電子設備的廣泛應用，促使人們重視防雷技術的研究，防雷技術手段不斷提升。

2 變電站高壓電力裝置防雷技術

建筑物的防雷設計要因地制宜采取防雷措施，做到安全可靠、技術先進，以減少雷擊建筑物而發生的人身傷亡和財產損失。要認真調查被保護區周圍地理、土壤、氣象等條件，研究防雷裝置的形式和布置。

雷電具有強大的破壞能力。雷電流幅值指被擊中物體雷電流的最大值，是產生雷電過電壓的根源，表示雷電強度的指標。雷電流對電氣設備絕緣的危險系數與雷電流波頭陡度有關。雷暴日表征不同地區的雷電活動頻繁程度。少雷區為年平均雷暴日在20天以下的地區。高雷區為40天地區，強雷區為超60天以上的地區。

雷電直擊在物體上產生電磁效應，對物體造成危害的現象為直擊雷。直擊雷可產生達數十萬伏的過電壓幅值，是普通電壓等級電力設備絕緣不可耐受的。防護直擊雷常用的措施為裝設避雷針。避雷針是接地導電物，作用是將吸引的雷電導入地中。一般設置在高于被保護物體處，在雷云電場作用下，尖端電場強度大于空氣電力場強，與雷云雷電先驅相遇形成雷擊。

在一定高度的避雷針下，有一處安全區為避雷安全區，不能保證被保護物絕對不受直接雷擊。工程中多采用兩根以上避雷針擴大保護范圍，兩針聯合屏蔽作用使中間部門保護范圍較單針大。兩針間距與針高比應小于5。

避雷線即掛在高空的接地導線，引雷作用與保護寬度較避雷針小，適合保護架空線路，可編成防雷保護網保護重要的建筑物。避雷線保護范圍與數量、高度、架設位置等有關。

避雷針裝設分為獨立避雷針和構架避雷針。首要考慮配電裝置電壓等級等情況進行選型安裝。不同的電壓等級配電裝置絕緣水平不同，35 kV以下的變電站不允許將避雷針裝設在配電架構上，接地電阻一般不超過10 Ω，土壤電阻率高地區應裝設獨立避雷針。

裝設避雷針構架應就近裝設輔助接地裝置，發生雷擊時，避雷針接地裝置產生高電位向變壓器接地點傳播逐漸衰弱[1]。通過在建筑物上裝設避雷網及其混合組成的接閃器，亦可有效防止建筑物直擊雷危害。避雷網應沿屋頂四周等易受雷擊部位設置，網格要求小于100 m2。避雷針要用避雷帶相互連接，可沿建筑物四周均勻布置避雷帶引下線。若利用建筑物四周柱子鋼筋為引下線，平均間距應按跨度設置。

避雷針可防止雷擊，但被保護電氣設備仍可能存在雷擊過電壓造成的損壞。雷擊線路附近大地將輸電線路產生過電壓，以波形形式沿線路傳入變電站，需按照避雷器保護裝置限制危害電氣設備絕緣過電壓。

避雷器是一種并聯在被保護設備附近的放電器，擊穿電壓比被保護設備低。線路傳過電壓避雷器放電壓時，限制設備過電壓，入侵波消失后避雷器自行恢復絕緣能力。目前，使用的避雷器主要有保護間隙、氧化鋅避雷器等幾種類型。正確的選擇使用避雷器，能使避雷器達到預期效果。

3 變電站二次設備電涌保護

電力系統的二次設備是監控保護一次設備運行設備。變電站二次設備遭受雷電影響有多方面的原因，只有綜合運用各種措施形成相互配合的整體，才能有效防止雷擊危害。變電站內建筑物有三層，有一次系統和二次系統。變電站帶有強電特性，易遭受雷擊，雷擊在線路上引起的過電壓是損壞建筑物內設備的主要原因。

變電站架空線路遭受直擊雷后，雷電流直接傳到弱電設備，架空線路較長，發生幾率較大，危害性也較大。直擊雷電流通過引下線引起電磁感應，配電線路產生電磁感應，感應雷可能直接對設備造成損壞。變電站遭受雷擊后，雷電流流入接地網。接地網接地電阻偏大時，會使接地網具備電位抬高，導致低電位對設備反擊損壞設備。

雷電防護分區法即將防雷空間分為雷擊電流與電磁場逐漸減小的區域，建立雷電防護系統。電涌指因雷電在線路與電氣設備上產生的過電壓現象。電涌保護通過保護電子設備避免此類瞬態電沖擊。電涌保護器是用于限制瞬態過電壓與泄放浪涌電流的裝置。電涌保護器使用時并聯在被保護設備的兩端，限制電涌電壓保護電子設備。被保護設備工作正常，該元件電阻極高，不會對被保護設備產生影響。出現瞬態電涌時，需降低被保護兩端的電壓。電涌結束時，自動恢復為高電阻。電涌保護保護電子設備不受雷擊電涌危害，因此雷害元件損壞造成經濟損失的設備需配備電涌保護器。綜合自動化設備包括電源和信息側兩部分，電源側雷害占全設備雷害的一半，信息側內部電路更脆弱，故而必須進行電涌保護。

雷電電涌防護設計依據雷電防護分級，要對工程所處地區雷電環境進行風險評估，以提高防雷技術的經濟性。電涌風險評估根據建筑物周圍雷電環境形式、建筑物與進線引雷面積等實際情況確定。

4 接地屏蔽技術

接地是為電路系統提供參考的等電位點，接地是防雷技術的重要環節。所有形式的雷擊最終都是將雷電流導入大地。接地具有維持正常運行、保護防雷等作用。電力系統分為保護接地、防雷接地和工作接地[2]。保護接地指電氣裝置金屬外殼構架等。工作接地指為保障電力系統電氣裝置正常運行所設計的接地。雷電保護接地為保護裝置向大地泄放雷電流設計。

防雷基地利用各類接地極將雷電流泄放到大地，以達到保護電氣設備安全的目的。與電網連接的所有儀器設備都應可靠接地，需保護的二次設備必須采取等電位連接保護措施，而各防雷保護裝置必須配備合適的接地裝置。防雷工程接地以下線路的布線工程非常重要，決定了整個工程的防雷效果。

雷電流通過接地極進入大地，接地附近土壤中電流密度大時會被擊穿。此時，接地極附近土壤導電性增大，土壤成為良好的導體。雷電流等值頻率較高，導致接地電感影響增大，使接地體得不到充分利用。因此，在同一接地裝置沖擊下具有不同的電阻值。

接地線與接地極總和為接地裝置。變電站可利用自然接地體，如與大地可靠連接的建筑物及其金屬結構，或埋設在地下的金屬管道等。防雷接地裝置多用于垂直接地體，對泄放電流的進出線構架的接地均應設置人工集中接地。獨立避雷針應設立獨立的集中接地裝置，接地電阻小于10 Ω。要防止避雷針對被保護設備反擊。

屏蔽是防止本身電磁場輻射對外界干擾的措施，利用銅鋁等低電阻材料將需要隔離的部分包裹，從而防止某制定空間內外部靜電感應影響。建筑物屏蔽利用建筑物及其金屬結構相互連接形成初級屏蔽網。設備屏蔽要求屏蔽材料的導磁率較高，能增強阻擋外界電磁干擾的能力。線纜屏蔽采用屏蔽電纜，建筑物間的互聯電纜應敷設在與其等電位有電氣連接的金屬管道內。

5 結 論

變電站防雷是一項綜合性工程，要了解變電站所處的自然環境、土壤地質條件、設備的配置情況等，需對變電站進行有針對性的防雷保護。通過合理設置避雷針等設備，對弱電系統配置有效的電涌保護器，與接地系統可靠連接，從而實現有效的防雷保護。